無線農(nóng)田灌溉系統(tǒng)

1、電子信息工程系畢業(yè)設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田灌溉控制系統(tǒng)學(xué)生姓名明 亮專業(yè)名稱電子信息工程技術(shù)班 級2010級 電信1班學(xué) 號20101507指導(dǎo)教師莫建麟老師阿壩師范高等?？茖W(xué)校電子信息工程系二一三年四月中文摘要21 世紀(jì)水資源變成一種寶貴的稀缺資源，水資源問題已不僅僅是資源問題，更是關(guān)系到國家經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展和長治久安的重大戰(zhàn)略問題。中國是一個水資源嚴(yán)重短缺的國家，近我國北方和西南地區(qū)遭遇了幾十年不遇的干旱天氣，使全國的受旱面積多達數(shù)百萬公頃，為我們敲響了節(jié)約用水的警鐘。因此采用高效的智能化節(jié)水灌溉技術(shù)勢在必行，這不但能夠有效緩解用水壓力，同時也是發(fā)展精細農(nóng)業(yè)和實現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的要求。 隨著現(xiàn)

2、代無線通訊技術(shù)的發(fā)展和普及，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee 技術(shù)日漸成熟，以其優(yōu)良的性能為眾多的近距離無線通信應(yīng)用領(lǐng)域提供了低成本、低功耗、高可靠性的解決方案。GPRS 技術(shù)逐步完善，它的覆蓋區(qū)域也日益增大，幾乎可以分布到所有人類居住的地方。它的維護費用比較低，安裝方便，易于實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。 本文就是利用 ZigBee 組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和 GPRS 無線通信技術(shù)構(gòu)成的大范圍遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)合土壤水分傳感器、零壓啟動電磁閥實現(xiàn)基于 Web 數(shù)據(jù)管理的農(nóng)田土壤旱情的遠程自動監(jiān)測記錄以及智能化灌溉，實現(xiàn)了農(nóng)田土壤墑情的全自動監(jiān)測和智能化節(jié)水灌溉。 本文主要研

3、究內(nèi)容如下：首先，通過研究國內(nèi)外現(xiàn)狀，結(jié)合中國國情提出了我們系統(tǒng)的總體設(shè)計方案；其次，對 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點進行了詳細設(shè)計，并設(shè)計完成了各個模塊的電路，并對傳感器的數(shù)據(jù)做了進一步校準(zhǔn)，由于ZigBee的低功耗我們采用了太陽能供電；第三，完成GPRS 數(shù)據(jù)協(xié)議的解析和 SQL 數(shù)據(jù)庫的搭建；第四，開發(fā)基于 ASP.NET 2.0 的 Web 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序，實現(xiàn)了客戶端與服務(wù)器數(shù)據(jù)的友好交互。 關(guān)鍵詞：遠程監(jiān)控；ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)；GPRS；智能灌溉AbstractWater are turning into a kind of Scarce resources in the 21s

4、t blems of water are not only the problem of source, but also the Important strategic issue related to national relationship ,sustainable development of society and stability. China is a country of serious shortage of water resources. Recently north and southwest of china suffered a droug

5、ht that decades in. The national sedimentation area reaches millions of hectares. This knocked on a warning of water saving. Efficient automation control irrigation technology are needed. This can not only relieves water pressure effectively but also develops fine agriculture and modern agriculture.

6、 With the development of wireless communication technology, ZigBee are growing mature. ZigBees Excellent performance provides low cost, low power consumption, high reliability solutions for close wireless communication.GPRS are Gradually perfect. The coverage area is also increasing. Almost can be d

7、istributed into any place humans live.Its maintenance costs is low. The installation is convenient.It is Easy to realize remote data acquisition and equipment control. This paper use wireless sensor network Consists of ZigBee and Wireless communication technology of GPRS to constitute the remote dat

8、a acquisition system. This System can realize remote automatic monitoring and intelligent irrigation for drought of farmland soil. It can also realize automatic monitoring and intelligent irrigation for farmland soil moisture content.This paper mainly study the content as follows:firstly, we put for

9、ward the design of the whole system solutions With China's national conditions. Secondly, We do a detailed design of ZigBee wireless network sub-domain node; Thirdly,completed protocol analytical of GPRS data and construction of SQL database; Fourth, developed Web network service program based o

10、n 2.0, and we realized the client and server data friendly interaction; Finally,we finished the installation and debugging of system in experimental base of National fruit trees center in feicheng city . After nearly one years test the results showed that Remote irrigation system based on ZigBee and

11、 GPRS is fit for orchards irrigation intelligent monitoring and control. Keywords:Remote Monitoring;ZigBee sensor networks;GPRS;Intelligent Irrigation1 引言1.1 課題研究背景 21世紀(jì)水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源，水資源問題己不僅僅是資源問題，更成為關(guān)系到國家經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展和長治久安的重大戰(zhàn)略問題?；诖朔N情況采用節(jié)水、節(jié)能的智能灌溉方法已成為全世界灌溉技術(shù)發(fā)展的總趨勢，推廣使用智能化節(jié)水灌溉也已成為世界各國為緩解水資源危機和實現(xiàn)農(nóng)

12、業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇(張磊，2009)。 我國是全球人均占有水資源貧乏的國家之一，雖然總體水量較多，但人均明顯不足，而且各條河流污染嚴(yán)重，許多土地都處于缺水少水的狀態(tài)。隨著全球性環(huán)境的惡化和水資源的短缺，與人類生存密切相關(guān)的干旱問題顯得日益突出。同時，我國農(nóng)業(yè)耕種面積較大，工業(yè)發(fā)展對水資源存在著巨大需求，致使我國很多地區(qū)和城市都出現(xiàn)了不同程度的缺水現(xiàn)象，給人們的日常生活帶來眾多不便，同樣這也嚴(yán)重制約著我國經(jīng)濟的發(fā)展與社會的進步。 在這樣水資源嚴(yán)重短缺的情形下，目前我國大部分地區(qū)還仍然停留在人工監(jiān)測旱情，決定灌溉與否僅憑個人經(jīng)驗，這樣就會造成更嚴(yán)重水資源浪費。近年來，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)經(jīng)營模

13、式正在向大型化、集約化方向發(fā)展。這樣就為推廣全面、統(tǒng)一、大型、智能化灌溉系統(tǒng)提供了必要條件?，F(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)大面積種植的就是農(nóng)田農(nóng)業(yè)，因此我們設(shè)計和實現(xiàn)了一套針對農(nóng)田的智能化檢測和灌溉系統(tǒng)。 ZigBee 作為一種新興的無線通信技術(shù)，具有短距離、低速率、低功耗、高可靠性等特點，同時工作于國際免費頻段、具有網(wǎng)絡(luò)自動組織功能，非常適合多點，大范圍數(shù)據(jù)傳輸。GPRS 可以把遠程數(shù)據(jù)終端與 Internet 數(shù)據(jù)服務(wù)器通過移動、聯(lián)通基站進行遠程數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。結(jié)合以上的條件和因素，本課題提出了利用單片機、土壤水分傳感器、零壓啟動電磁閥和CC2430組成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，

14、進行大范圍多點數(shù)據(jù)采集，通過GPRS數(shù)據(jù)終端，把數(shù)據(jù)信息傳送到 Internet 數(shù)據(jù)服務(wù)器。用戶可通過 IE 瀏覽器瀏覽采集到的數(shù)據(jù)信息，也可以通過 IE 瀏覽器傳送命令給 GPRS 數(shù)據(jù)終端，終端再傳送到對應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，節(jié)點結(jié)合零壓啟動電磁閥實現(xiàn)遠程智能灌溉控制。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著現(xiàn)代電子工業(yè)不斷進步，使得微電子技術(shù)與機電一體化、計算機信息技術(shù)和自動控制、航空航天等高新技術(shù)在不斷的應(yīng)用于智能灌溉領(lǐng)域，給高效農(nóng)田智能節(jié)水的灌溉技術(shù)插上了騰飛的翅膀，使精確灌溉技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代灌溉農(nóng)業(yè)的主體。農(nóng)田智能節(jié)水灌溉在世界各國的農(nóng)業(yè)中已經(jīng)占據(jù)了重要地位，尤其是近幾年連年出現(xiàn)的大旱天

15、氣，使得實施智能節(jié)水灌溉任務(wù)變得重之又重，但是由于技術(shù)設(shè)備的研制開發(fā)是一項長期艱巨、復(fù)雜的任務(wù)，因此更尖端、更高效設(shè)備需要好幾代人的努力（李曉東，2007）。國外智能節(jié)水灌溉發(fā)展時間長，電子技術(shù)水平較高，人工成本高，所以與智能節(jié)水灌溉相配套的自動控制系統(tǒng)也較完善和先進。中國在這方面與他們相比就遠遠落后了，在中國由于起步時間比較晚、人工成本低使得大型智能灌溉系統(tǒng)得不到很好的推廣，因此制約了這方面的發(fā)展，現(xiàn)有的智能灌溉系統(tǒng)大多是依賴于國外進口(朱德蘭，2001)。美國，早在1984年Benami和Offen開發(fā)了一套節(jié)水灌溉控制器，通過監(jiān)測土壤水分來確定是否打開灌水閥門。Phene(1973)、P

16、hena和 Howell(1954)，Phena(1989)分別在灌溉系統(tǒng)的控制中使用了土壤濕度傳感器，通過土壤濕度傳感器把土壤濕度信息反饋給控制系統(tǒng)，再根據(jù)傳感器獲得的數(shù)據(jù)決定是否灌溉，使作物根部總能保持一定的濕度。他們所設(shè)計的控制系統(tǒng)經(jīng)運行表明，控制系統(tǒng)運行參數(shù)的好壞主要取決于四個因素系統(tǒng)的硬件設(shè)計、控制系統(tǒng)所采用的算法、土壤濕度傳感器的可靠性、螺旋形電磁閥和壓力調(diào)節(jié)裝置以及流量計、過濾器等設(shè)備的性能。鑒于當(dāng)時傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和當(dāng)時技術(shù)水平此套系統(tǒng)沒有達到預(yù)期效果，因而也沒有大范圍的推廣。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，許多專業(yè)做灌溉系統(tǒng)的公司逐漸興起，具代表性的是美國的雨鳥、亨特，這兩個公司生產(chǎn)

17、的產(chǎn)品已經(jīng)走在了世界的前沿，以雨鳥 ESP-4M 系統(tǒng)為例，主要性包括：可升級性，模塊控制器基本型為 4 站，通過增加每單元 3 戰(zhàn)的模塊，可簡單將控制器擴展為7、10、13站控制器，實現(xiàn)了大面積的智能化節(jié)水灌溉（章軍富，2010）。 據(jù)美國自來水協(xié)會統(tǒng)計，通過安裝智能灌溉系統(tǒng)，美國人每年能夠節(jié)省大約8520億升水，這些水每年都因過度澆溉而被浪費，而智能灌溉系統(tǒng)可以幫助人們?yōu)橹参锾峁┖线m數(shù)量的水（丁寶瑩，2004）。但是現(xiàn)階段美國還有 4,500萬個僅是安有簡易計時器的灌溉系統(tǒng)，它們在時間控制上還可以，但精準(zhǔn)度不高。Spain稱，城市灌溉系統(tǒng)占城市用水的 58%，這些被浪費的水資源每年生產(chǎn)54

18、.4萬噸溫室氣體。以色列是世界上微灌技術(shù)發(fā)展具有代表性的國家，目前他們?nèi)珖r(nóng)業(yè)土地基本上實現(xiàn)了灌溉管理的智能化和自動化，并且普遍推行自動控制系統(tǒng)，按時、按量將水、肥等直接送入作物根部，水資源利用率相當(dāng)高。在以色列，已經(jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦對灌溉過程進行全程控制的灌溉系統(tǒng)，可以遠程設(shè)定灌溉間隔時間，操作方便。由于引進先進的傳感器技術(shù)，因此對灌溉過程的控制可達到相當(dāng)高的精度。現(xiàn)在他們也正在著力解決把空間信息技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用到大型灌溉系統(tǒng)中（許一飛，1998）。 加拿大、澳大利亞和韓國等國家和地區(qū)也都有開發(fā)成功并形成系列的灌溉控制器產(chǎn)品，其中比較有代表性的是澳大利亞公司的灌溉

19、控制器，已形成了多個系列，幾十種型號的產(chǎn)品。其中系列成本較低，是一種小型化自動灌溉控制器，主要是面對家庭庭院和小面積的商業(yè)綠化場地的灌溉。該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，可與上位機雙向通信，用微機對其進行編程操作和對其子控制器進行控制，并能用微機隨時監(jiān)控灌溉系統(tǒng)的工作狀況。 國內(nèi)在開發(fā)灌溉自動控制系統(tǒng)方面現(xiàn)在還僅處于研制試用階段，能實際投入應(yīng)用且應(yīng)用較廣的灌溉控制器還不多見。從上世紀(jì)七十年代引進墨西哥滴灌設(shè)備開始，在引進、消化、吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的國情，本著經(jīng)濟實用，易于安裝和便于推廣的精神，在全國水利、農(nóng)業(yè)、輕工、農(nóng)機等主要部門和科研院所、高等院校、灌溉企業(yè)及各地有關(guān)部門的密切合作和共

20、同努力之下，灌溉技術(shù)的開發(fā)、設(shè)備研制生產(chǎn)和科學(xué)試驗等方面都取得了一定的成果（李鐵男，2000）。 在國內(nèi)開發(fā)能在實際推廣應(yīng)用的產(chǎn)品中具代表性的是中國農(nóng)業(yè)機械化研究院聯(lián)合多家單位研制的智能型溫室自動灌溉施肥系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在國家“九五”科技攻關(guān)項目中自主研發(fā)的科技產(chǎn)品，該系統(tǒng)結(jié)合我國溫室的環(huán)境和實際使用特點，以積木分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，解決了計算機實時閉環(huán)控制、動態(tài)監(jiān)測、控制顯示中文、施肥泵混合比可調(diào)、電磁閥開度可調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)問題。 2007年鄭重等人提出一種基于GSM技術(shù)和FSK技術(shù)的農(nóng)田水分檢測與決策支持系統(tǒng)，通過 FSK 調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)不同采集單元間的分布式數(shù)據(jù)通訊，該系統(tǒng)可以將采集到的數(shù)據(jù)通

21、過 GSM 網(wǎng)絡(luò)傳到 PC 監(jiān)控器，并通過水分傳感器測得土壤中水分含量并將測得的結(jié)果以 SIM 卡短信形式發(fā)送至用戶手機，為農(nóng)田的信息化管理提供技術(shù)支持。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)田水分實時檢測、數(shù)據(jù)的無線遠程傳輸（鄭重，2007）。 2008 年靳廣超等人應(yīng)用 ZigBee 技術(shù)實現(xiàn)土壤墑情檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時的監(jiān)測土壤中的溫度和濕度，為噴灌和滴灌提供可靠的信息，適合土壤墑情檢測的需要（靳廣超，2008）。 1.3 課題主要研究內(nèi)容 基于 ZigBee 和 GPRS 的遠程農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)的整體方案計。 完成傳感器的選型和硬件電路和供電系統(tǒng)設(shè)計。 選取 ZigBee 無線模塊，完成 ZigBee無

22、線網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)以及路由算法的設(shè)計，實現(xiàn)子節(jié)點模塊自動組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。 選取 GPRS 模塊，了解PPP撥號程序和TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)向遠程服務(wù)器的無線傳輸。 編寫 Web 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序，實現(xiàn)客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。 1.4 論文組成部分 本論文可以分為六個部分： 第一章為引言，討論了本課題研究的背景和意義，了解實現(xiàn)遠程智能灌溉系統(tǒng)的必要性，并結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展提出自己的想法和課題研究的主要內(nèi)容。 第二章介紹整個系統(tǒng)的組成部分詳細闡述了我們這個系統(tǒng)的整體流程、不同方案之間的比較和終方案的確立。 第三章介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計包括硬件的篩選和無線傳感器子節(jié)點主程序的流程。 第四章詳細

23、介紹了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的組成和ZigBee無線通信協(xié)議構(gòu)成，并著重介紹了 ZigBee無線射頻模塊（CC2430）的設(shè)計和開發(fā)。 第五章給出了GPRS通信方面的優(yōu)勢和通信協(xié)議以及我們選用的GPRS DTU(G200)配置。除此之外還介紹 GPRS DTU 服務(wù)器軟件設(shè)計和SQL數(shù)據(jù)庫的開發(fā)。 第六章詳細闡述了基于ASP.NET的互聯(lián)網(wǎng)動態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計和開發(fā)。 2 總體方案的確立2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在隨著信息的多元化，在一個系統(tǒng)中會包含多種傳感器。每個傳感器的信息都要通過單獨的通信線路與主控 CPU 進行數(shù)據(jù)交換，這樣在很大程度上加大了整個系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，更降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在有的大

24、型控制系統(tǒng)中信息傳感器的分布十分廣導(dǎo)致無法或者很難實現(xiàn)有線信息連接。因此一種集傳感器、控制器、計算能力、通信能力于一身的嵌入式設(shè)備，可以跟外界物理環(huán)境交互，將收集到的信息通過傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送給其它的計算設(shè)備的無線傳感器技術(shù)應(yīng)運而生（曾鵬等，2004）。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器（Wireless Sensor Networks，WSN）的研究起始于 20 世紀(jì) 90 年代末期。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通、建筑物監(jiān)測、空間探索等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價值，隨著這些領(lǐng)域技術(shù)突飛猛進的發(fā)展無線傳感器技術(shù)也取得了巨大的發(fā)展尤其是近 20 年來發(fā)展尤為迅速，在更多的領(lǐng)域

25、顯示出了它的巨大作用。1999 年 9 月，美國著名的 Business Week 將其列為 21世紀(jì)重要的技術(shù)之一。 典型的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器主要包括分布式的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、Internet主控制器如圖 2-1 所示。在大部分的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器組成中，每一個傳感器節(jié)點有一個很小的發(fā)射范圍，但是匯聚節(jié)點具有較強的發(fā)射功率可以把每一個子節(jié)點數(shù)據(jù)信息進行匯總并且能把收集到的信息傳送到遠程控制節(jié)點。 圖 2-1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig. 2-1 Structure schematic of wireless network sensor 傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目非常龐大，通常不能采用可

26、重復(fù)利用的電池提供能量；傳感器節(jié)點的能量一旦耗盡，那么該節(jié)點就不能進行數(shù)據(jù)采集和路由的功能，直接影響整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯性和生命周期（崔莉，2005）。因此在整個系統(tǒng)的設(shè)計中對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計尤為重要，尤其是采用太陽能供電系統(tǒng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點大致可以分為以下幾個模塊，如圖 2-2 所示。 傳感器模塊中央處理器執(zhí)行單元無線射頻發(fā)射模塊太陽能供電系統(tǒng)圖 2-2 硬件組成結(jié)構(gòu)示意圖 Fig. 2-2 Hardware structure schematic drawing 2.2 遠程數(shù)據(jù)交互在本系統(tǒng)中采用的 GPRS 數(shù)據(jù)終端與 Internet 數(shù)據(jù)服務(wù)器通過移動/聯(lián)通基站進行連接，實現(xiàn)

27、一對一的數(shù)據(jù)交互，這樣就可以避免遠程有線網(wǎng)絡(luò)布線及維護成本高。所謂的GPRS 就是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service)的簡稱，它是 GSM 移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是 GSM 的延續(xù)。GPRS 和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負擔(dān)的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。GPRS 的傳輸速率可提升至 56 Kbps甚至 114Kbps（伍連民，2009）。 圖 2-3 系統(tǒng)信息傳遞流程示意圖 Fig. 2-3 Transfer process of system info

28、rmation sensor 農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)的流程如圖 2-3 所示。由電磁閥、土壤水分傳感器和 ZigBee 數(shù)據(jù)電磁閥水分傳感器 子節(jié)點 主節(jié)點 移動基站互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器端傳輸模塊組成無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點，負責(zé)采集土壤中的水分數(shù)據(jù)和控制灌溉系統(tǒng)的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)信息通過 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送給一個帶有 GPRS 模塊的 ZigBee 主節(jié)點再通過移動/聯(lián)通基站匯集到互聯(lián)網(wǎng)上。這樣我們就實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)服務(wù)器的交換?？蛻舳司涂梢酝ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器，查看和控制遠程的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。 2.3 Internet 數(shù)據(jù)服務(wù)器程序開發(fā) 我們采用的 Internet 數(shù)據(jù)服務(wù)

29、器是架構(gòu)在 Widows Server 2003 操作系統(tǒng)上的，數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件分三部分：mSever 控制臺、數(shù)據(jù)存儲后臺程序和 Web 動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)。mSever控制臺即無線通信服務(wù)軟件，是無線數(shù)據(jù)終端與用戶控制端進行連接的樞紐和進行相互通信的橋梁。mServer 實現(xiàn)了 TCP/IP 協(xié)議的解析和數(shù)據(jù)在虛擬串口上的映射。數(shù)據(jù)儲存后臺服務(wù)程序是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲存的核心，它負責(zé)把 mServer 解析出的數(shù)據(jù)信息存儲在本地服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中，并且實現(xiàn)了動態(tài)掃描數(shù)據(jù)庫，把掃描出來的命令信息通過mServer 送達各相應(yīng)的控制節(jié)點。Web 動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)實現(xiàn)客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。Inte

30、rnet數(shù)據(jù)服務(wù)器動態(tài)網(wǎng)頁由VS2003和Microsoft.Net3.0編寫，動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)包括：Web數(shù)據(jù)管理和Internet網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用兩個部分。Web數(shù)據(jù)管理是基于SQL Server2000設(shè)計實現(xiàn)的，SQL Server2000對數(shù)據(jù)的管理提供了完美的接口，使得開發(fā)周期大大縮短。并且對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有良好的保障。Internet網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中動態(tài)網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)瀏覽我們采用的是ZedGraph 控件實現(xiàn)，這個控件可以根據(jù)任意數(shù)據(jù)集創(chuàng)建2D曲線、Bar、和Pie圖。ZedGraph具有高度的靈活性，可以定制圖形的每個方面。我們就是通過它來實現(xiàn)每一塊農(nóng)田中的土壤水分數(shù)據(jù)曲線的繪制。用戶可以更直觀和

31、方便的通過IE瀏覽GPRS傳輸?shù)椒?wù)器的遠程數(shù)據(jù)，并且也能通過瀏覽器發(fā)送控制命令到服務(wù)器，實現(xiàn)對農(nóng)田灌溉的智能化檢測和控制。 3 智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計3.1 硬件選型 3.1.1 系統(tǒng)硬件的組成部分 整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多網(wǎng)絡(luò)傳感器子節(jié)點組成的，每一個子節(jié)點包括：土壤水分傳感器、供電系統(tǒng)、CC2430(ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)模塊)、零壓啟動電磁閥，在主 ZigBee節(jié)點上還帶有 GPRS DTU 用于和互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信整體的結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示。供電系統(tǒng)Zigbee無線路由網(wǎng)絡(luò)土壤水分傳感器主控制器(cc2430)GPRS DTU（主節(jié)點）零壓啟動電磁閥圖 3-1 網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點硬件組成結(jié)構(gòu)

32、示意圖 Fig. 3-1 Hardware structure schematic of network child nodes sensor 主控制器 CC2430供電系統(tǒng)土壤水分傳 感器零壓啟動電磁閥ZigBee無線路由網(wǎng)絡(luò)GPRS DTU(主節(jié)點)系統(tǒng)主控制器采用的是單片機作為主控芯片，供電系統(tǒng)是由兩塊 12V 的蓄電池進行供電，由兩塊 12V15W 的太陽能電池板給蓄電池充電。單片機通過土壤水分傳感器采集土壤中的水分數(shù)據(jù)，并讀取自己片內(nèi)非遺失性數(shù)據(jù)儲存器中的上下限數(shù)據(jù)和控制模式，得出控制結(jié)果控制零壓啟動電磁閥實施滴灌操作，并且它還通過由 CC2430 組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和 GPRS

33、DTU 與 Internet 進行數(shù)據(jù)連接，把采集到的數(shù)據(jù)傳送給互聯(lián)網(wǎng)，同時接收由互聯(lián)網(wǎng)傳送回來的數(shù)據(jù)命令。在系統(tǒng)中它還可以設(shè)置定時定量灌溉程序，更方便在實際應(yīng)用中進行精準(zhǔn)化灌溉。 3.1.2 主控制器的選擇 由于CC2430中含有一塊高性能的單片機，并且它的AD轉(zhuǎn)換率可達14位，所以對于水分傳感器的轉(zhuǎn)換已經(jīng)足夠了。在此課題中我們就用CC2430中的高性能單片機為主控制器。3.1.3 引腳的配置及其功能 P00-P07 為土壤水分傳感器接口，它是單片機的 AD 接口可以采集外圍電路的模擬量，在我們現(xiàn)在的系統(tǒng)中一個子節(jié)點配置了 4 個土壤水分傳感器，多余的是為了今后系統(tǒng)擴展。實現(xiàn)主控制器片內(nèi)與

34、ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。3.1.4 土壤水分傳感器選擇 數(shù)據(jù)零點漂移較正土壤濕度傳感器土壤水分是植物吸收水分的主要來源，它是反映當(dāng)前土壤需水量的重要指標(biāo)。如果要進行快速精準(zhǔn)化灌溉必須需要一種實時、精準(zhǔn)的傳感器獲取當(dāng)前土壤中的水分數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成電壓信號供給主控制器。主控制器再通過自身的閥值判斷，推斷出當(dāng)前土壤中的水分含量執(zhí)行相應(yīng)的操作，并且把數(shù)據(jù)通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳送給GPRS 數(shù)據(jù)終端再由其匯總的 Internet 數(shù)據(jù)服務(wù)器。ZigBee 子節(jié)點對信息的采集流程農(nóng)田種植作物數(shù)據(jù)零點漂移校正土壤濕度傳感器如圖 3-3 所示。 零壓啟動電磁閥電磁驅(qū)動電路中央處理

35、器(zigbee)圖 3-2 土壤水分數(shù)據(jù)采集和控制灌溉流程示意圖 Fig. 3-2 Soil moisture data acquisition and control irrigation flow diagram 土壤水分的盈缺對作物生長有著直接的影響，為了有利于作物生長發(fā)育，必須將土壤水分較長期的控制在一定的范圍之內(nèi)。土壤濕度傳感器的選用要能夠快速、準(zhǔn)確地測定農(nóng)田土壤水分，以便適時作出灌溉措施。土壤水分傳感器的精度和可靠性決定著整個系統(tǒng)的性能，因此選用合適的傳感器尤為重要，我們通過實際測試和性價比較終選用了北京惠澤農(nóng)科技有限公司的 SWR-3 土壤水分傳感器如圖 3-3 所示。SWR-

36、3 土壤水分傳感器是一款高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器。通過測量土壤的介電常數(shù)，能直接穩(wěn)定地反映各種土壤的真實水分含量。它是利用駐波率原理的高頻電子技術(shù)，測量土壤的表觀介電常數(shù)，從而確定土壤容積含水量。測量時，傳感器產(chǎn)生 100MHz 的高頻電磁波，電磁波沿傳輸線進行傳播，在末端經(jīng)過周圍有土壤介質(zhì)的探針的反射在傳輸線上形成駐波，駐波的電壓隨著探針和周圍土壤介質(zhì)阻抗的變化而變化，通過測量傳輸線兩端的電壓差即可測出土壤的表現(xiàn)介電常數(shù)，從而測出土壤的容積含水量（趙燕東，2005）。其主要特點為： 高穩(wěn)定性，安裝維護操作簡便。 支撐的材料為 ABS 工程塑料，強度和壽命得到保證。 密封性好，可

37、長期埋入土壤中使用，且不受腐蝕。 采用標(biāo)準(zhǔn)的大功率電壓環(huán)傳送技術(shù)使其具有抗干擾能力強，測量精度高，響應(yīng)速度快。 土質(zhì)影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛，價格低廉，適合中國國情。 圖 3-3 土壤水分傳感器 Fig. 3-3 Soil moisture sensor 該傳感器工作電壓：4.55.5 VDC，典型值 5.0 VDC，工作電流：5070mA，典型值 60 mA，輸出信號：02.5V，量程：0100%（m³/ m³），精度：050%（m³/ m³）范圍內(nèi)為±2%（m³/ m³）通電之后的穩(wěn)定時間約為 10 秒，并且響應(yīng)在 1 秒

38、內(nèi)進入穩(wěn)態(tài)過程。它的遠通信速率可以達到 20mm，完全滿足我們的應(yīng)用要求。 3.1.5 水分傳感器數(shù)據(jù)校正 土壤不同酸堿度和加工工藝的不同往往會造成傳感器一致性的差別。為此我們在訂購產(chǎn)品的時候要求廠家選擇統(tǒng)一加工流程確保傳感器的一致。接下來我們把這些傳感器做了隨機取樣進行數(shù)據(jù)標(biāo)定。標(biāo)定的方法我們選用的是風(fēng)干土樣水分測定法。 3.1.6 電磁閥選型 電磁閥是用來控制流體的方向的自動化基礎(chǔ)元件，通常用于機械控制和工業(yè)閥門上面，對介質(zhì)方向進行控制。在本系統(tǒng)中是控制灌溉系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。灌溉系統(tǒng)我們采用的是智能化水塔滴灌系統(tǒng)當(dāng)水滿時離地面的高度為 10 米有較大的壓力此時對電磁閥要求并不高，但是當(dāng)水塔

39、中的水位降低到1米左右時，產(chǎn)生的水壓就比較小，無法使普通的電磁閥正常工作，再加上降落在在電磁閥上的水壓降，這樣就會大大降低滴灌系統(tǒng)的工作效率。因此我們需要一種可以在零水壓的時候可以進行啟動，并且在電磁閥上的水壓降也非常小。因此我們采用的是永嘉縣英絡(luò)克泵閥有限公司生產(chǎn)的ZCW-2型零壓啟動電磁閥。此電磁閥主要用于常溫、中溫、零壓、常壓、中壓等場合，使用于灌溉控制、暖通空調(diào)、自來水廠以及環(huán)保水處理等行業(yè)。它的結(jié)構(gòu)特點有：零水壓既能打開主閥，低壓差流量大，適用范圍廣；采用進口合成橡膠密封材料，壽命長是同類產(chǎn)品的 5 倍以上，采用德國進口 Nass 塑封線圈確保電磁閥的可靠性，防水、防潮，宜適用于長時

40、間通電；閥體采用黃銅和不銹鋼熱鍛成型、體積小、外形美觀等特點。在電氣連接上它的工作電壓為 24V（適合于雙塊蓄電池供電），工作壓力在 01.0Mpa（完全可以滿足零水壓啟動），工作的介質(zhì)溫度高可以達到 125。 3.1.7 供電系統(tǒng)選擇 供電部分貫穿整個系統(tǒng)工作的始終，只有保證充足的電量和穩(wěn)定的電壓才能保證整個系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作，并且也是實現(xiàn)低功耗的重中之重。我們整個系統(tǒng)采用的是兩塊12V12AH 的蓄電池，12V15W 的太陽能電池板。我們采用電荷泵控制器給蓄電池供電使得在陽光充足的情況下 10 小時可以充滿。整個系統(tǒng)在全負載運行狀況可以連續(xù)工作 3天 4 夜。因此在程序運行過程中能夠很好的

41、實現(xiàn)電能的收支平衡。我們在實際測試過程中也很好的驗證了這一點，全負荷工作 4 周，在此段時間中有 8 天出現(xiàn)陰天現(xiàn)象。系統(tǒng)的儲電量仍然為 90%以上，供電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 3-4 所示。 鉛酸蓄電池蓄電池充電電荷泵2.56V模擬基準(zhǔn)電源太陽能電池板電源轉(zhuǎn)換控制電路3.3V CC2430工作電源24V電磁閥12V土壤水分傳感器圖 3-4 系統(tǒng)供電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) Fig. 3-4 Power supply system of systems structure 鉛酸蓄電池充電用的是太陽能電池板是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，該部分通過充電電荷泵來實現(xiàn)太陽能對蓄電池的充電狀態(tài)的控制，當(dāng)太陽能的輸出電壓與電池電壓的

42、電壓差小于20mV 時，電荷泵將進入低功耗休眠狀態(tài)，充電停止。其中為了降低功耗，避免傳感器和電磁閥同時供電我們增加了電源開關(guān) AAT4285，通過 CPU 發(fā)送高低脈沖開關(guān)來控制系統(tǒng)不同時間的供電，在不動作時相應(yīng)的器件均處于低功耗休眠狀態(tài)。 3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案選擇 3.2.1 采用 WLAN 實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線局域網(wǎng)(Wireless LAN，WLAN)就是使用無線連接的局域網(wǎng)。它使用無線電波作為數(shù)據(jù)傳送的媒介。傳送距離一般為幾十米。無線局域網(wǎng)第一個版本發(fā)表于 1997 年，其中定義了介質(zhì)訪問接入控制層（MAC 層）和物理層。物理層定義了工作在 2.4GHz的 ISM 頻段上的兩

43、種無線調(diào)頻方式和一種紅外傳輸?shù)姆绞剑倲?shù)據(jù)傳輸速率設(shè)計為2Mbit/s。1999 年加上了兩個補充版本：802.11a 定義了一個在 5GHz ISM 頻段上的數(shù)據(jù)傳輸速率可達 54Mbit/s 的物理層，802.11b 定義了一個在 2.4GHz 的 ISM 頻段上但數(shù)據(jù)傳輸速率高達 11Mbit/s 的物理層。 2.4GHz 的 ISM 頻段為世界上絕大多數(shù)國家通用，因此 802.11b 得到了為廣泛的應(yīng)用（歐杰峰，2006）。 但是 WLAN 在設(shè)備開發(fā)和軟件編寫上都是比較復(fù)雜的，每個給網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點 RF模塊的價格要在好幾百美元，它的消耗功率在 1W 左右，這對太陽能電池供電系統(tǒng)來說是

44、不能接受的。 3.2.2 采用 Bluetooth 技術(shù)實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 藍牙(Bluetooth)技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與數(shù)字通信的開放性規(guī)范。它在設(shè)備和協(xié)議的復(fù)雜度上做了很大的簡化，并且現(xiàn)在的藍牙 4.0 的有效傳輸距離也有所提升。當(dāng)前，藍牙的有效傳輸距離為 10 米(約 30 英尺)，而藍牙 4.0 的有效傳輸距離可達到 100 米(約 200英尺)（李文仲、段朝玉等，2007）。 然而我們在實際應(yīng)用的過程中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)它們其中還存在許多缺陷。比如在進行工業(yè)，家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控過程中功耗大，組網(wǎng)規(guī)模太小，必須進行對射才能提高傳輸距離等缺點。在應(yīng)用于大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，特別由電池供

45、電的設(shè)備，都希望在不更換電池并且不充電的情況下，正常工作幾個月甚至幾年。這些技術(shù)遠遠達不到設(shè)計的要求而且，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾，并且能較大范圍的提高通信距離。 3.2.3 采用 ZigBee 技術(shù)實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 用ZigBee實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是基于 IEEE 802.0.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，低功耗的 ZigBee 技術(shù)是適合作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee 技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，特別是傳感器網(wǎng)絡(luò)（BobHeile，2004）。并且 ZigBe

46、e 網(wǎng)絡(luò)可以自組織網(wǎng)來通信，對傳輸?shù)南⑦M行動態(tài)路由，可以大大的擴充這個系統(tǒng)的覆蓋面積。 通常 ZigBee 節(jié)點所承載的應(yīng)用數(shù)據(jù)功耗都比較低,在不需要通信時，節(jié)點可以進入很低功耗的休眠狀態(tài)，此時能耗可能只有正常工作狀態(tài)下的千分之一。由于一般情況下，休眠時間占總運行時間的大部分，有時正常工作的時間還不到百分之一，因此達到很高的節(jié)能效果。ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)可以承載 65000 多個節(jié)點，每個節(jié)點之間的距離可以達到10100 m 之間，如果使用增加 RF 發(fā)射功率后,亦可增加到 13 km。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種傳感器比較密集、跨范圍比較廣無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。在普通的數(shù)據(jù)傳輸過程中對速度一般沒有

47、較高的要求，但是在對傳輸數(shù)據(jù)的實時性要求比較高，并且由于傳感器比較分散，因而供電系統(tǒng)多是天陽能供電，這樣就對無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的功耗有較高的要求。而 ZigBee 的出現(xiàn)正好解決了這一問題。ZigBee 有著近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點使得 ZigBee 與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起，使其成為發(fā)展前景為看好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 我們在本系統(tǒng)中所需要的是一種大范圍、多節(jié)點、功耗低、低成本的網(wǎng)絡(luò)傳感器RF組件。綜合以上信息，考慮各個方面的因素，我們決定選用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建。 3.3 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點主程序 節(jié)點主程序也就是系統(tǒng)的監(jiān)控程序

48、，主要包括以下幾個方面：系統(tǒng)的初始化；定時土壤水分傳感器；讀取當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)和上下閥；執(zhí)行相應(yīng)的控制操作，通過 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，其流程圖如圖 3-5 所示。 系統(tǒng)初始化讀取系統(tǒng)運行模式啟動定時器10min啟動定時器1min時間未到檢測定時器檢測定時器采集傳感器數(shù)據(jù)時間到采集傳感器數(shù)據(jù)傳送傳感器數(shù)據(jù)和當(dāng)前電磁閥狀態(tài)到CC2430讀取設(shè)定閾值與設(shè)定閾值比較大于關(guān)閉電磁閥小于開啟電磁閥圖 3-5 系統(tǒng)主程序流程圖 Fig. 3-5 Flowchart Lord of system programe 3.4 土壤水分數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計 我們采用帶有 14 位精度的CC2430片內(nèi) A

49、D ，在實際的應(yīng)用過程中要更精確來反應(yīng)當(dāng)前土壤中的水分數(shù)據(jù)必須用更精確的 AD 模塊，因為土壤中的水分數(shù)據(jù)變化速率不是很快，可以犧牲轉(zhuǎn)換速率換的更高的轉(zhuǎn)換精度。因此我們采用了過采樣發(fā)增加ADC 精度。 通過 Nyquist 訂立規(guī)定信號的采樣頻率必須至少是信號頻率的兩倍，否則高頻部分將有損失（帶通）。小需要的采樣頻率稱為 Nyquist 頻率(李國，2007)。 4 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計4.1 ZigBee 簡介 ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，可在國際免授權(quán)的 2.4GHz、歐洲 868MHz 和美國 915MHz 三個免費頻段上工作(吳

50、鍵，2006)。低功耗是 ZigBee 技術(shù)具優(yōu)勢的地方。在通信狀態(tài)下，ZigBee 終端耗電在幾十毫瓦左右；在省電的模式下，耗電僅僅幾十微瓦，一節(jié)干電池可以工作幾個月到一年。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按下面 2 種方式工作：域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應(yīng)用。一個 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)多包括有 255 個 ZigBee 網(wǎng)路節(jié)點，其中一個是主控（Master）設(shè)備，其余則是從屬（Slave）設(shè)備。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Network Coordinator），整個網(wǎng)絡(luò)多可以支持超過64000個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點，再加上

51、各個 Network Coordinator可互相連接，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)目將十分可觀（邵光，2010）。長期以來，無線網(wǎng)絡(luò)一直采用一種集中式模型，這種模型可能會造成瓶頸、延時和故障單點。無線自組織網(wǎng)絡(luò)正在作為一種替代無線交換功能的技術(shù)而興起，它通過采用格柵狀地拓撲結(jié)構(gòu)將智能性由交換機分散到接入點中，使得節(jié)點或接入點無需經(jīng)過中央交換機即可以相互通信，從而消除了集中的故障，并提供了自愈和自我組織的功能。盡管有關(guān)傳輸流的決策是在本地做出的，但系統(tǒng)卻可以全局管理。 無線自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可以分為以下兩個方面：首先，一個新節(jié)點利用檢點的發(fā)現(xiàn)協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)廣播自己的存在，加入到無線網(wǎng)絡(luò)中；然后，已

52、有的節(jié)點認知這個新節(jié)點，并透明地重新配置和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)來容納這個節(jié)點。在通信過程中，每個節(jié)點根據(jù)收到的信號強度、吞吐量、錯誤和時延頻繁重新計算佳路徑。無線自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比，其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在： （1）穩(wěn)定性好 無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有自我調(diào)節(jié)和自愈特征，不依賴于單一的節(jié)點 。 （2）節(jié)能性強。與傳統(tǒng)的點到點網(wǎng)絡(luò)相比，無線自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要優(yōu)勢之一就是每一個節(jié)點所需的功率可以大大降低。通過多跳技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸。也正是這個特點可以延長電池的使用壽命。 高帶寬。 維護方便。無線自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)簡化了網(wǎng)絡(luò)的維護與升級。 圖 4-1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖 Fig. 4-1 ZigBe

53、e network topology structure schematic drawing ZigBee 以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、串狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此每個節(jié)點的功能并非都相同。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網(wǎng)通信上來說，它只是其功能的一個子集，稱為半功能設(shè)備（RFD），而另外一些節(jié)點負責(zé)和所控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱為全功能設(shè)備(FFD)。無論是哪種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，每個獨立的網(wǎng)絡(luò)都有一個唯一的標(biāo)識符網(wǎng)絡(luò)號（PAN標(biāo)識符）。利用 PAN標(biāo)識符采用 16位的短地址碼進行網(wǎng)絡(luò)間的通信，并可激活網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信。每個網(wǎng)絡(luò)都

54、有一個唯一的協(xié)調(diào)器，它相當(dāng)于有線局域網(wǎng)中的服務(wù)器，具有對本網(wǎng)絡(luò)的管理能力。網(wǎng)絡(luò)中的全功能節(jié)點可做路由器、協(xié)調(diào)器以及終端節(jié)點來使用，而半功能節(jié)點只能當(dāng)作終端節(jié)點使用（王久鵬，2007）。ZigBee 路由選擇是在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相互合作條件下選擇的并建立路由的一個流程，該流程通常與特定的源地址和目的地址相對應(yīng)，路由選擇過程如下： 路由搜索的初始化。 接收路由請求命令幀。 接收路由應(yīng)答命令幀。圖 4-2 ZigBee 基本路由算法 Fig. 4-2 ZigBee basic routing algorithms ZigBee 的低功耗和自動組網(wǎng)能力非常適合在有由蓄電池提供電能的系統(tǒng)之中。主控制器通過

55、ISP 總線與 ZigBee 無線模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。與主控制器相連接的都為ZigBee 的半功能設(shè)備（RFD），由 ZigBee 的半功能設(shè)備（RFD）把數(shù)據(jù)打包加上 ZigBee協(xié)議之后傳送到離它近的 ZigBee 的全功能設(shè)備（FFD）。ZigBee 的全功能設(shè)備（FFD）通過路由算法選擇優(yōu)的路徑，通過其它的 ZigBee 的全功能設(shè)備（FFD）把協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送給 ZigBee 協(xié)調(diào)器。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)信息后返回一個握手信息，完成一次數(shù)據(jù)傳輸操作,具體 ZigBee 路由算法如圖 4-2 所示。 在該系統(tǒng)中我們移植的是 ZigBee2006 協(xié)議棧，是一個公開的半開源的短距離無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，

56、ZigBee 協(xié)議棧于 2004 年發(fā)布第一版，我們稱為 ZigBee2004，ZigBee2004 是一個全源代碼的協(xié)議棧，這個協(xié)議棧的能力已經(jīng)有了網(wǎng)絡(luò)的概念，并能完成一些簡單的通信，但在組網(wǎng)方面只能組建串狀網(wǎng)絡(luò)和星狀網(wǎng)絡(luò)，如果需要組建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)必須要自己外加程序，在安全和路由方面也做的不是很理想，在 2006 協(xié)議棧中，很好的解決了網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)問題，整個協(xié)議棧的安全性更高，層次性更強，在功耗方面也有了進步，并實現(xiàn)了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(李文仲,2006)。 4.2 ZigBee 方案的選擇 ZigBee 從推出到現(xiàn)在已經(jīng)接近 10 年了，許多大的公司也都推出了這方面的產(chǎn)品。并且可靠性也得到了很好的保障。目前

57、使用多的是 TI 公司 CC2420/CC2520/CC2430/CC2431/CC2480；Ember/ST 公司的 EM250/EM260；Freeseale 公司的MC13193/ MC13203/MC13213/MC13214/MC13224; OKI Semieonduetor公司的 ML7065/ML7246；MieroehiP公司的MRF24J40；RadioPulse公司的 MG2400/MG2450/MG2455 等（張亮，2007），ZigBee 解決方案大致有以下三種: ZigBee RF 芯片+指定 MCU。如 CC242O/CC2520+MSP430、MRF24J40+PIC 等。 ZigBee 即芯片內(nèi)置 ZigBee 協(xié)議棧+通用 MCU。如 CC2480、EM260 等。 ZigBee SOC